可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)

李 鑫 李慶天

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

可逆配料小車以輸送帶為牽引機構(gòu)和承載機構(gòu)，可以在指定的倉口卸料，廣泛應用于礦山及糧食等領(lǐng)域。它具有可靠性高、安全性高及效率高等顯著特點，為高空卸料提供了一個十分有效的手段。由于高空作業(yè)，對卸料小車的可靠性和安全性要求越來越高[1]。由于卸料小車不可調(diào)速，在實際應用中接近開關(guān)經(jīng)常發(fā)生開關(guān)失靈的現(xiàn)象，導致小車制動時發(fā)生“溜車”現(xiàn)象，引發(fā)安全事故。針對該問題，筆者設(shè)計了一種可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)[2]。

可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)主要以可編程控制器(PLC)為核心，采用深圳某無線通信模塊進行無線通信。ABB變頻器可以調(diào)節(jié)小車的速度。旋轉(zhuǎn)編碼器作為速度檢測元件，向PLC提供計數(shù)脈沖，經(jīng)過PLC程序計算出小車的位置。本設(shè)計簡單實用，可以在多種現(xiàn)場使用，能進一步推動卸料小車的發(fā)展[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計①

1.1 系統(tǒng)概述

可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 變頻定位系統(tǒng)簡圖

小車往返于A、D之間，皮帶可逆旋轉(zhuǎn)。當小車停在A、C之間時，皮帶正轉(zhuǎn)，料下入C倉，皮帶反轉(zhuǎn)，料下入A倉；當小車停在B、D之間，皮帶正轉(zhuǎn)，料下入D倉，皮帶反轉(zhuǎn)，料下入B倉。

根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)具有以下功能：

a. 3種控制模式——車載PLC柜控制、地面PLC柜控制(觸摸屏控制)和上位機控制；

b. 小車可逆運行并有實時定位功能；

c. 故障診斷和處理功能，系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠正確判斷故障類型并做出相應處理，如停機或報警等；

d. 故障報警顯示和報警歷史記錄功能。

1.2 系統(tǒng)組成和原理

可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)主要由PLC(帶高速計數(shù)器)、旋轉(zhuǎn)編碼器、變頻器、控制計算機、觸摸屏、電機和無線通信模塊組成。該系統(tǒng)有兩個控制柜，車載PLC柜和地面PLC柜，兩者通過無線通信模塊進行通信。上位機還配置了西門子S7-300PLC，既可以實現(xiàn)就地控制，又可以實現(xiàn)集中控制和監(jiān)視。其工作原理為：采用位置反饋閉環(huán)控制速度的方式，即通過編碼器測量電機轉(zhuǎn)速，高速計數(shù)模塊采集編碼器的脈沖個數(shù)，在PLC中采用PID控制算法，調(diào)節(jié)輸出信號控制變頻器，通過控制電機轉(zhuǎn)速達到定位控制功能[4]。可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)原理

為了提高小車的定位精度，本系統(tǒng)采用PID控制方式。從圖2可以看出，每個周期的開始，變頻器先根據(jù)速度給定初始值進行控制，反饋回來的實際距離S與小車的行程距離S*作比較，得出偏差距離e。為了保證偏差值e為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，PID控制律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近法。當采樣周期相當短時，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即做如下近似變換[5]：

t=kT

(1)

(2)

(3)

式中k——采樣序號，k=1，2，…；

T——采樣周期。

顯然，在上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證足夠的精度。離散PID的表達式為：

(4)

式中e(kT)——第k次采樣時刻輸入的偏差值；

KD——微分系數(shù)；

KI——積分系數(shù)；

u(kT)——第k次采樣時刻的輸出值。

該系統(tǒng)采用的是增量式PID控制算法，數(shù)字PID輸出的是Δu(kT)，該算法的優(yōu)點是計算量小、占用存儲空間少，因此在實際中得到廣泛應用。Δu(kT)的表達式為：

Δu(kT)=(KP+KI+KD)e(kT)-(KP+

2KD)e((k-1)T)+KDe((k-2)T)

(5)

位置式PID控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計算公式：

u(kT)=Δu(kT)+u((k-1)T)

(6)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

作為系統(tǒng)的控制核心，采用了西門子S7-224XP CN PLC，帶有高速計數(shù)器,含有HSC輸入，可用來讀取編碼器反饋脈沖，實現(xiàn)對小車的位置控制，構(gòu)成閉環(huán)控制。S7-224XP CN PLC含有Port0和Port1口，PLC做主站，用Port1口接變頻器和地面PLC柜[6]。

選用KoYo公司TRD-J系列旋轉(zhuǎn)編碼器，五線制。其中兩根為電源線，3根為脈沖線(A、B、Z)。其工作原理為：當旋轉(zhuǎn)編碼器的軸轉(zhuǎn)動時，A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出。在本系統(tǒng)中，編碼器作為反饋元件，與電機同軸安裝，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周編碼器就產(chǎn)生1 000個脈沖，高速計數(shù)器采集編碼器的脈沖個數(shù)，根據(jù)傳動比例關(guān)系，通過PLC處理并計算出小車的距離，傳送至觸摸屏顯示，實現(xiàn)小車的精準定位。到達倉口時，PLC控制變頻器零速輸出，停變頻器使能。再配合接近開關(guān)，讓小車無慣性精準停車[7]。

設(shè)小車車輪直徑為D，減速比為P,編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生1 000個脈沖，小車行程距離為S，PLC采得脈沖數(shù)為N,有：

(7)

則PLC采得的脈沖數(shù)N為：

(8)

系統(tǒng)選用ABB公司的ACS510變頻器。PLC與變頻器采用Modbus通信。由于需要精確定位，故系統(tǒng)采用位置閉環(huán)速度控制的方式。PLC根據(jù)指定值與實際值的偏差,利用PID算法產(chǎn)生速度信號,再次加到變頻器上驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn),這一調(diào)節(jié)過程持續(xù)進行,直至控制對象的實際位置與指令位置之間的偏差處于允許的誤差范圍內(nèi)。停止時控制變頻器零速信號輸出，再配合接近開關(guān)，使停車精度得以提高[8]。

系統(tǒng)部分控制電氣圖如圖3所示，主回路如圖4所示。

PLC的輸入、輸出信號都用中間繼電器隔離來保護它的I/O點。

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC主程序設(shè)計

可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)的控制功能主要由PLC實現(xiàn)，程序設(shè)計包括主程序設(shè)計和子程序。主程序進行參數(shù)初始化，調(diào)用子程序。子程序包括啟動停止程序、故障報警程序、通信程序、PID算法子程序和高速計數(shù)器處理程序。通過調(diào)用子程序可以清晰地讀懂程序，方便監(jiān)視和調(diào)試。主程序流程如圖5所示。

圖3 系統(tǒng)部分控制線路

圖4 系統(tǒng)主回路

圖5 主程序流程

3.2 觸摸屏設(shè)計

系統(tǒng)采用威綸觸摸屏，設(shè)置了4個按鈕、小車運行狀態(tài)顯示、變頻器故障顯示、報警顯示、報警歷史和小車位置。操作員可通過觸摸屏進行小車和輸送機的所有指令控制、參數(shù)的監(jiān)視,真正做到了整個控制過程的可視化。系統(tǒng)操作界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)操作界面

4 結(jié)束語

采用西門子S7-200PLC、變頻器、旋轉(zhuǎn)編碼器、無線通信模塊組成了可逆配料小車變頻定位系統(tǒng)。經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，構(gòu)成位置閉環(huán)速度控制模式，可以實現(xiàn)小車定位和精準停車。并采用威綸觸摸屏，真正做到了整個控制過程的可視化。自

2013年5月投入運轉(zhuǎn)以來，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，達到了設(shè)計要求，完成了生產(chǎn)任務。

[1] 程文光，趙海燕，吳俊峰.新型卸料小車的設(shè)計特點[J]．華電技術(shù)，2010,32(12)：28～30.

[2] 劉華煒.電廠輸煤系統(tǒng)卸料小車控制子系統(tǒng)的設(shè)計[J]．自動化儀表，2010,31(1)：64～66.

[3] 李娟霞，李紅艷，朱婷，等.基于PLC的自動運料小車控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．工業(yè)儀表與自動化裝置，2013,(3):89～91.

[4] 馬秀坤，史運濤，馬學軍.S7-200 PLC與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[5] 李建海，張大為.數(shù)字PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應用[J]．電子測量技術(shù)，2009,32(4):100～103.

[6] 廖常初．S7-200 PLC編程及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[7] 閆涵萍，韓延國.基于STM32 的變頻器+編碼器精確定位控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．機床與液壓，2013,41(14):98～100.

[8] 閆涵萍，韓延國.礦用變頻調(diào)速技術(shù)的研究與應用[J]．西山科技，2002，(6):15～17.